Свет в помощь: оптический транзистор нового поколения ускорит компьютеры в 1000 раз

Международная команда ученых разработала новый оптический переключатель, который значительно ускоряет работу компьютеров по сравнению с самыми лучшими транзисторами.

Они отчитались о своем достижении в журнале Nature.

По словам разработчиков, их устройство сможет полностью заменить электронные транзисторы в компьютерах нового поколения, которые вместо электронов будут использовать частицы света — фотоны. Оптический переключатель обеспечивает высокую скорость работы: при 1 трлн операций в секунду вычисления проводятся в 100-1000 раз быстрее по сравнению с существующими коммерческими транзисторами. Кроме того, он показывает высокую энергоэффективность и может работать при комнатной температуре.

Ученые объяснили, что новый тип транзисторов расходует крайне мало энергии, ведь для переключения необходимо всего несколько фотонов. Во время тестов исследователи смогли переключить устройство при комнатной температуре, использовав всего один фотон.

Устройство состоит из 2-х лазеров, которые переключаются между "0" и "1". Слабый управляющий лазерный луч позволяет включать и выключать более сильный луч. Переключение между состояниями происходит внутри полого органического полимерного полупроводника толщиной 35 нанометров, который размещен между отражающими неорганическими элементами. Микрополость должна максимально долго удерживать фотоны внутри, чтобы те эффективно взаимодействовали с электронно-дырочными парами (electron-hole pairs), которые называют экситонами.

В результате такой связи возникают тысячи идентичных квазичастиц, экситон-поляритонов, которые кодируют логические состояния "0" и "1", образуя конденсат Бозе-Эйнштейна — это состояние, когда вещества приобретают квантовые свойства. Для переключения ученые использовали лазерный импульс, который увеличил количество квазичастиц в конденсате до уровня, которое соответствует "1". Уменьшение же экситон-поляритонов возвращает "транзистор" к состоянию "0".

"Нам еще предстоит работа по снижению общего энергопотребления нашего устройства, в котором в настоящее время преобладает лазер накачки, который удерживает переключатель во включенном состоянии. Путь к этой цели может лежать в перовскитных суперкристаллических материалах, подобных тем, которые мы исследуем с соавторами", — отмечается в статье.

Современные транзисторы, которые используют одиночные электроны, при тех же затратах энергии работают намного медленнее. Кроме того, большая часть из них требуют охлаждающего оборудования, которое тоже потребляет много электричества.

Помимо своей основной функции, новый переключатель можно использовать в качестве связывающего компонента, передающего данные между устройствами в виде оптических сигналов. Он также может усиливать интенсивность входящего лазерного луча до 23 тыс. раз. Ученые считают, что создание такого переключателя приближает человечество к созданию оптических компьютеров, более экономных и производительных, чем существующие сейчас.

Ранее ученые впервые создали сверхпроизводительный фотонный процессор. По словам разработчиков, он может проводить вычисления "со скоростью света".

Писали также, что инженеры разработали фотонный чип размером с монету. Устройство разделяет свет на волны разной длины, обеспечивая квантовые вычисления.